CN114305434A - 新型纤维式生物电检测传感器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型纤维式生物电检测传感器及其制备方法，其中纤维式生物电检测传感器件包括内芯层、黏着层、导电层、多孔封装层及电极。通过读取纤维电信号，可以得到电极位置处皮肤电信号。本发明灵敏度高且便携性好，在智能织物、医疗康复、可穿戴设备等领域具有一定的应用价值。

Description

新型纤维式生物电检测传感器及其制备方法

技术领域

本发明涉及柔性传感器技术领域，具体涉及一种新型纤维式生物电检测传感器及其制备方法。

背景技术

心血管疾病具有突发性的特点，且大部分患者在发病前数十分钟内具有明显不适，因此，实时心电监测对发现心电异常变化及心血管疾病防治具有重要意义。

目前最成熟的监测方式是导联线测量法，将配有导联线的电极贴至胸前或肢体指定位置监测人体心电信号。然而，导联线测量法要求电极与导联线配合使用，测量仪器不便携，受测者在测量过程中难以自由行动。

纳米银墨水具有高电导率、强基底依附性和可形变等优点，利用喷墨打印技术可在柔性基底上制备图案化电极。然而，纳米银墨水电极对皮肤的吸附性不高，作为心电监测电极使用时难以稳定读取皮肤表面电信号。

发明内容

发明目的：提供一种新型纤维式生物电检测传感器及其制备方法，解决生物电检测仪器不便携的问题。

技术方案：本发明的新型纤维式生物电检测传感器，包括液态金属复合纤维以及设置在液态金属复合纤维表面的电极；所述液态金属复合纤维包括内芯层、黏着层、导电层、嵌入式微孔封装层；黏着层、导电层、嵌入式微孔封装层从内到外依次覆盖在内芯层表面；电极设置在嵌入式微孔封装层表面，且通过在嵌入式微孔封装层中填充液态金属，使得电极与导电层之间形成导电通道。

进一步的，所述内芯层由氨纶纤维螺旋缠绕编织而成；所述黏着层与嵌入式微孔封装层均为水性聚氨酯涂层；所述导电层为液态金属EGaIn。

进一步的，电极由复合纳米银墨水喷墨打印制成。

进一步的，嵌入式微孔封装层结构为多孔聚氨酯膜。

本发明的新型纤维式生物电检测传感器的制备方法，包括如下步骤：

步骤1，液态金属复合纤维的制备；

步骤1.1，内芯层的制备；

将氨纶包覆纱旋转缠绕，编织成多股绳，形成内芯层。

步骤1.2，黏着层的制备；

将水性聚氨酯作为粘合剂涂覆在内芯层上形成黏着层。

步骤1.3，导电层的制备；

使用液态金属EGaIn在黏着层表面进行覆涂，使黏着层表面均匀覆盖液态金属薄层，静置，使液态金属表面氧化黏着在氨纶包覆纱上，形成导电层。

步骤1.4，嵌入式微孔封装层的制备

采用同轴静电纺丝方法，将步骤1.3制备得到的氨纶包覆纱作为内层基底纤维穿过喷头，内层溶液采用液态金属，外层溶液采用水性聚氨酯，通过同轴静电纺丝在氨纶包覆纱表面制成嵌入式微孔封装层，在收集端得到包裹有多孔聚氨酯膜的液态金属复合纤维。

步骤2，电极的制备；

在液态金属复合纤维表面选定电极位置，反复刮涂液态金属，由于液态金属的流动性与浸润性，刮涂的液态金属会浸润穿透嵌入式微孔封装层的微孔结构，形成垂直互连导电通道。

在甲乙酮MEK中混合银薄片颗粒、银粉颗粒和含氟弹性体，以制备复合纳米银墨水，所述银薄片平均粒径为10μm，银粉平均粒径为2-3.5μm，在选定的电极位置，借助等离子体表面处理技术用氧气处理纤维表面以提高表面粘附性，然后，将纳米复合银墨水利用喷墨打印技术在选定位置处打印制备图案化电极。

有益效果：通过读取液态金属复合纤维的电信号，可以得到电极位置处皮肤电信号。本发明灵敏度高且便携性好，在智能织物、医疗康复、可穿戴设备等领域具有一定的应用价值。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是液态金属复合纤维结构示意图。

其中，1、液态金属复合纤维；11、内芯层；12、黏着层；13、导电层；14、嵌入式微孔封装层；2、电极。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行进一步说明

如图1所示，本发明提供的新型纤维式生物电检测传感器，包括液态金属复合纤维1以及设置在液态金属复合纤维1表面的电极2；所述液态金属复合纤维1包括内芯层11、黏着层12、导电层13、嵌入式微孔封装层14；黏着层12、导电层13、嵌入式微孔封装层14从内到外依次覆盖在内芯层11表面；

电极2设置在嵌入式微孔封装层14表面，且通过在嵌入式微孔封装层14中填充液态金属，使得电极2与导电层13之间形成导电通道。

其中，内芯层11使用两股编织的氨纶包覆纱纤维制成，编织方法是先将氨纶包覆纱纤对折为两股，再按麻花辫的手法编织成一股绳。

黏着层12使用水性聚氨酯浸润制成，应注意在将纤维从水性聚氨酯中取出时，其表面不应留有水性聚氨酯液滴，水性聚氨酯应均匀地包裹住整根纤维，悬挂风干时注意保持环境洁净干燥，以免污损黏着层12。

导电层13使用液态金属EGaIn涂覆在黏着层12表面，这样做可以使液态金属充分浸润氨纶包覆纱基底，使得氨纶包覆纱能够被液态金属充分覆盖，使器件具有更好的稳定性。图1中并没有展示出导线及其与导电层13的连接关系，在具体操作过程中需要将导线与导电层13连接，以便将电流引入或引出本发明传感器。

嵌入式微孔封装层14采用静电纺丝技术，使用水性聚氨酯作为纺丝溶液，在纤维导电层13表面制备具有嵌入式微孔结构的包鞘。

在嵌入式微孔封装层14表面选定电极2位置，反复刮涂液态金属，由于液态金属的流动性与浸润性，刮涂的液态金属会浸润穿透微孔结构包鞘，形成垂直互连导电通道；然后，在甲乙酮MEK中混合银薄片颗粒、银粉颗粒和含氟弹性体，以制备复合纳米银墨水，所述银薄片指平均粒径为10μm，银粉平均粒径为2-3.5μm，在选定的电极2位置，借助等离子体表面处理技术用氧气处理纤维表面以提高表面粘附性，然后，将纳米复合银墨水利用喷墨打印技术在选定位置处打印制备图案化电极2。

本发明传感器的检测原理是：由于纳米银墨水与液态金属的导电性，液态金属复合纤维1构成电极-垂直互连导电通道-液态金属复合纤维导电回路，读取纤维内液态金属导电层13电信号即可读取人体表面生物电信号。

以测心电信号为例进行说明本发明使用过程：人体表面存在生物电，将电极2贴于体表可以读取该电压，根据基尔霍夫电流定律，网络节点中任意时刻流经节点的电流代数和恒等于零。根据这一思想，本发明的生物电检测传感器用于测量心电信号时，可采用四个本发明的生物电检测传感器，将四个传感器上的电极2分别贴于人体表面，其中三个分别位于左臂、右臂和左腿，将左臂、右臂和左腿采集的心电信号，该三个传感器上通过导线分别串联一只平衡电阻后短接在一起构成零电位点，称为威尔逊中端，将另一个电极2放在人体体表的其它位置点，如左胸，与威尔逊中端构成回路，威尔逊中端的电位由于三个位置的传感器短接后获取，因此电位几乎不变化，而左胸处电位随时间变化，二者的电位差也随时间变化，得到的随时间变化的电流即心电信号。

Claims (6)

1.新型纤维式生物电检测传感器，其特征在于，包括液态金属复合纤维以及设置在液态金属复合纤维表面的电极；

所述液态金属复合纤维包括内芯层、黏着层、导电层、嵌入式微孔封装层；黏着层、导电层、嵌入式微孔封装层从内到外依次覆盖在内芯层表面；

电极设置在嵌入式微孔封装层表面，且通过在嵌入式微孔封装层中填充液态金属，使得电极与导电层之间形成导电通道。

2.根据权利要求1所述新型纤维式生物电检测传感器，其特征在于，所述内芯层由氨纶纤维螺旋缠绕编织而成；

所述黏着层与嵌入式微孔封装层均为水性聚氨酯涂层；

所述导电层为液态金属EGaIn。

3.根据权利要求1所述新型纤维式生物电检测传感器，其特征在于，电极由复合纳米银墨水喷墨打印制成。

4.根据权利要求1至3任一项所述新型纤维式生物电检测传感器，其特征在于，嵌入式微孔封装层结构为多孔聚氨酯膜。

5.新型纤维式生物电检测传感器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，液态金属复合纤维的制备；

步骤1.1，内芯层的制备

将氨纶包覆纱旋转缠绕，编织成多股绳，形成内芯层；

步骤1.2，黏着层的制备；

将水性聚氨酯作为粘合剂涂覆在内芯层上形成黏着层；

步骤1.3，导电层的制备

使用液态金属EGaIn在黏着层表面进行覆涂，使黏着层表面均匀覆盖液态金属薄层，静置，使液态金属表面氧化黏着在氨纶包覆纱上，形成导电层；

步骤1.4，嵌入式微孔封装层的制备

采用同轴静电纺丝方法，将步骤1.3制备得到的氨纶包覆纱作为内层基底纤维穿过喷头，内层溶液采用液态金属，外层溶液采用水性聚氨酯，通过同轴静电纺丝在氨纶包覆纱表面制成嵌入式微孔封装层，在收集端得到包裹有多孔聚氨酯膜的液态金属复合纤维；

步骤2，电极的制备；

在液态金属复合纤维表面选定电极位置，反复刮涂液态金属，刮涂的液态金属浸润穿透嵌入式微孔封装层的微孔结构，形成互连导电通道；

在甲乙酮MEK中混合银薄片颗粒、银粉颗粒和含氟弹性体，以制备复合纳米银墨水在选定的电极位置，借助等离子体表面处理技术用氧气处理纤维表面以提高表面粘附性，然后，将复合纳米银墨水利用喷墨打印技术在选定的电极位置处打印制备图案化电极。

6.根据权利要求5所述新型纤维式生物电检测传感器的制备方法，其特征在于，步骤2中银薄片平均粒径为10μm，银粉平均粒径为2-3.5μm。

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